(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の外表面である第１の側面と、上記第１の側面と反対側の、平面状の外表面である第２の側面とを有する第１の光透過性基板と、
ソーラーエネルギーを受けつつ、上記ソーラーエネルギーを電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池であって、上記第１の光透過性基板に対して配置されている複数の太陽電池と、
上記第１の光透過性基板に配列されている複数の光再配向エレメントと、
を備えており、
上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の側面への入射光を、上記第２の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように構成されており、
上記複数の太陽電池は互いに離間しており、上記第１の側面の法線方向からの光は、上記複数の光再配向エレメントを介することなく、上記第１の光透過性基板を通過し、上記太陽電池の間の上記第２の側面から出射することを特徴とする透明なソーラー集光器。
【請求項２】
上記第１の光透過性基板は第１の屈折率を有しており、
上記複数の光再配向エレメントは第２の屈折率を有しており、
上記第２の屈折率は上記第１の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のソーラー集光器。
【請求項３】
上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の光透過性基板に配列されたストリップまたは溝を備えており、上記ストリップまたは溝は、上記第２の屈折率に一致している屈折率を有する媒体により満たされていることを特徴とする請求項２に記載のソーラー集光器。
【請求項４】
上記媒体は、空気であることを特徴とする請求項３に記載のソーラー集光器。
【請求項５】
上記複数の太陽電池は、複数の太陽電池ストリップとして形成されており、各太陽電池ストリップは、所定の距離だけ隣接する太陽電池ストリップから離れていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項６】
上記光再配向エレメントの各々は、上記太陽電池ストリップの各々に並んで配置されていることを特徴とする請求項５に記載のソーラー集光器。
【請求項７】
第２の光透過性基板を更に備えており、
上記複数の光再配向エレメントは、上記第１の光透過性基板に形成されており、
上記複数の太陽電池は、上記第２の光透過性基板に対して配置されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項８】
上記複数の光再配向エレメントは、上記第１の光透過性基板を完全には貫通していないことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項９】
上記複数の光再配向エレメントは、反射面を有する第１の部分および反射面を有する第２の部分を含んでおり、
上記第１の部分の上記反射面は、上記第２の部分の上記反射面からオフセットの位置にあることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１０】
上記複数の光再配向エレメントは、上部表面および下部表面を有しており、
上記上部表面および上記下部表面は、互いに対して非平行であることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１１】
少なくとも２つの光再配向エレメントが、上記複数の太陽電池の各々に割り当てられていることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１２】
上記複数の太陽電池は、第１の波長範囲を有する光を電気エネルギーに変換するように構成されている第１のタイプの太陽電池、および、第２の波長範囲を有する光を電気エネルギーに変換するように構成されている第２のタイプの太陽電池を備えており、
第２の波長範囲は、第１の波長範囲とは異なっていることを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１３】
上記複数の光再配向エレメントの反射面は、上記第１の光透過性基板の外側の受光面に対して垂直ではないことを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１４】
上記複数の光再配向エレメントは、第１および第２の光再配向エレメントを備えており、
上記第１の光再配向エレメントは、上記第１の光透過性基板内を第１の深さまで延伸しており、
上記第２の光再配向エレメントは、少なくとも１つの基板内を第２の深さまで延伸しており、
上記第１および第２の深さは、互いに異なっていることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１５】
上記第１および第２の深さは、上記第１の光透過性基板の内部のそれぞれの上記光再配向エレメントの位置に対応していることを特徴とする請求項１４に記載のソーラー集光器。
【請求項１６】
上記光再配向エレメントの少なくとも１つの表面は、光学的に平坦な表面であり、
上記光再配向エレメントの他の表面は、光学的に粗い表面であることを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１７】
第１および第２の外側の光透過性基板を更に備えており、
上記第１の光透過性基板は、上記第１の外側の光透過性基板と上記第２の外側の光透過性基板との間に配置されていることを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載のソーラー集光器。
【請求項１８】
第１の外側の光透過性基板および第２の外側の光透過性基板と、
請求項１から１６の何れか１項に記載のソーラー集光器と、
を備えており、
上記ソーラー集光器は、上記第１の外側の光透過性基板と上記第２の外側の光透過性基板との間に配置されていることを特徴とするウィンドウシステム。
【請求項１９】
上記複数の太陽電池は、イメージを表すようにパターニングされていることを特徴とする請求項１８に記載のウィンドウシステム。
【請求項２０】
ソーラー集光器を製造するための方法であって、
複数の太陽電池を、平面状の外表面である第１の側面と、上記第１の側面と反対側の、平面状の外表面である第２の側面とを有する光透過性基板に対して配置する工程と、
上記光透過性基板に複数の光再配向エレメントを形成する工程と、
を含んでおり、
上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の側面への入射光を、上記第２の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように、上記複数の太陽電池の各々に対して配置されており、
上記複数の太陽電池は互いに離間しており、上記第１の側面の法線方向からの光は、上記複数の光再配向エレメントを介することなく、上記光透過性基板を通過し、上記太陽電池の間の上記第２の側面から出射することを特徴とする方法。
【請求項２１】
上記複数の光再配向エレメントを形成する工程では、第１の寸法を有している第１の部分を第２の寸法を有している第２の部分にインターロックする工程を含んでおり、
上記第１の寸法と上記第２の寸法との差は、上記光再配向エレメントに対応していることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
上記光再配向エレメントは、上記第１の寸法と上記第２の寸法との上記差により規定されるエアスリットから形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
第１の光透過性基板と、
ソーラーエネルギーを受けつつ、上記ソーラーエネルギーを電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池であって、上記第１の光透過性基板に対して配置されている複数の太陽電池と、
上記第１の光透過性基板に配列されている複数の光再配向エレメントと、
を備えており、
上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の光透過性基板の第１の側面への入射光を、上記第１の光透過性基板の反対の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように構成されており、
少なくとも２つの光再配向エレメントが、上記複数の太陽電池の各々に割り当てられていることを特徴とする透明なソーラー集光器。
【請求項２４】
第１の光透過性基板と、
ソーラーエネルギーを受けつつ、上記ソーラーエネルギーを電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池であって、上記第１の光透過性基板に対して配置されている複数の太陽電池と、
上記第１の光透過性基板に配列されている複数の光再配向エレメントと、
を備えており、
上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の光透過性基板の第１の側面への入射光を、上記第１の光透過性基板の反対の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように構成されており、
上記複数の光再配向エレメントは、第１および第２の光再配向エレメントを備えており、
上記第１の光再配向エレメントは、上記第１の光透過性基板内を第１の深さまで延伸しており、
上記第２の光再配向エレメントは、少なくとも１つの基板内を第２の深さまで延伸しており、
上記第１および第２の深さは、互いに異なっていることを特徴とする透明なソーラー集光器。
【請求項２５】
第１の光透過性基板と、
ソーラーエネルギーを受けつつ、上記ソーラーエネルギーを電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池であって、上記第１の光透過性基板に対して配置されている複数の太陽電池と、
上記第１の光透過性基板に配列されている複数の光再配向エレメントと、
を備えており、
上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の光透過性基板の第１の側面への入射光を、上記第１の光透過性基板の反対の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように構成されており、
上記光再配向エレメントの少なくとも１つの表面は、光学的に平坦な表面であり、
上記光再配向エレメントの他の表面は、光学的に粗い表面であることを特徴とする透明なソーラー集光器。
【請求項２６】
ソーラー集光器を製造するための方法であって、
複数の太陽電池を光透過性基板に対して配置する工程と、
上記光透過性基板に複数の光再配向エレメントを形成する工程と、
を含んでおり、
上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記光透過性基板の第１の側面への入射光を、上記光透過性基板の反対の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように、上記複数の太陽電池の各々に対して配置されており、
上記複数の光再配向エレメントを形成する工程では、第１の寸法を有している第１の部分を第２の寸法を有している第２の部分にインターロックする工程を含んでおり、
上記第１の寸法と上記第２の寸法との差は、上記光再配向エレメントに対応していることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低比率ソーラー集光装置およびシステムに関する。より具体的には、集光率がソーラー傾斜角の関数として変化する装置およびシステムに関する。更に、本発明は、このような装置およびシステムのデザインおよび製造の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生エネルギーおよび低炭素エネルギーを生成するソースとして、太陽電池（ＰＶ）パネルが次第に重要になりつつある。ＰＶパネルを建築構造に取り付ける、すなわち建材一体型ＰＶ（ＢＩＰＶ）が取り入れられる傾向にある。特に、ウィンドウ（窓）がウィンドウとしての機能を果たすと同時にエネルギーを生成するように、ＰＶパネルをウィンドウに取り付ける要望がある。このアプローチに関する問題は、光にウィンドウを通過させるという要求と光に電気を生成させるという要求との間にトレードオフが存在するということである。これにも関わらず、このタイプのパネルは既に存在している。このようなパネルに関する問題として、それらは一般に低透過率であること、および、ウィンドウとしての主な機能に影響を及ぼす可視的なアーティファクトを生成してしまうことが挙げられる。低透過率である理由は、一般に、ＰＶウィンドウが、間隙を伴ったＰＶセルのストリップを生成することにより製造され、生成される電力を最大限にするために、間隙領域に対するＰＶセル領域の比率を小さくするからである。
【０００３】
光が必要なとき、すなわち太陽が高い位置にあり放射照度が高い正午頃に、光がより多く太陽電池に導光され、また或るときは光がウィンドウを通過するような可変の集光率が、スマートＰＶウィンドウには必要である。ここで用いられているように、集光率は、（太陽電池としても知られている）ＰＶセルにより吸収される光の、集光器を通過する光に対する比率として規定される。電力の生成をソーラー傾斜角（ウィンドウに対する太陽光の入射角）の関数として変化させることによりこの問題の解決を試みる幾つかの先行技術が存在している。以下に記載の解決策ではこの関数を実現しているが、それらは部分的にしか要求を満足しない。しかし、これらには、このアイデアを非実用的なものにするデザイン特性に起因して、製造することが困難かつ高価であるという問題も存在している。
【０００４】
米国特許出願公開第２００９／０２５５５６８号明細書（Morgan Solar社、２００９年１０月１５日公開）では、所定の視野角にてＰＶウィンドウに入射する光が、入射角に依存した集光率を伴う太陽電池に方向付けられつつ集光されるように、畝のある基板表面に複数の太陽電池が設けられたシステムが説明されている。このシステムに関連した問題として、畝を有する表面に太陽電池を設けることが困難であること、および、ウィンドウタイプに適用した場合の透明性の品質が悪いことが挙げられる。
【０００５】
米国特許出願公開第２００８／０２５７４０３号明細書（R. Edmonds、２００８年１０月２３日公開）では、太陽電池の活性領域（アクティブ領域）がガラス表面に略垂直であるように窓ガラス本体の内部に取り付けられた太陽電池ストリップを設けるためのアイデアが提案されている。このデザインにより、入射角に依存した機能が提供されている。しかしながら、これは光を集光しない。これもまた、太陽電池を基板の内部に設けるためには困難である。
【０００６】
他の先行技術には、太陽電池の外側表面に付着した光学エレメントを使用することにより、太陽電池の効率を改善するための方法が記載されている。このような例の１つに、自太陽電池に対して垂直に方向付けられた反射性薄板により覆われた連続型太陽電池を開示している英国特許第２４５１７２０号明細書(T4 Design社、２００９年２月)が挙げられる。この特許文献には、当該技術が、反射性薄板に起因して効率を改善させる旨が記載されている。しかしながら、この発明は、連続型太陽電池に起因した何れの可視透過性をも有していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来のソーラー集光器にて発見された１つ以上の問題に取り組むソーラー集光器を提供することにある。本発明の他の目的は、製造することが比較的簡単であり、可変の集光率を提供できるウィンドウシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の側面では、入射角に依存した透明なソーラー集光器が提供される。当該入射角に依存した透明なソーラー集光器は、基板上に配置されている複数のＰＶセル、および、基板内の複数の光再配向エレメント（例えばスリット）を含んでいる。ここで、光再配向エレメントにおける基板の屈折率は、当該基板の屈折率よりも小さく、当該複数の光再配向エレメントは、当該複数のＰＶセルに並んで配置されている。
【０００９】
光が上記光再配向エレメントを備えている上記基板に対して垂直に入射する場合、上記ＰＶセルにより吸収される光もあれば、当該基板を通過する光もある。光が上記基板に対して非垂直に入射する場合、構造体を通過していた光の一部が、上記複数の光再配向エレメントにより全反射（ＴＩＲ）され、上記複数のＰＶセルにより吸収される。このようにして、入射角が、装置の物理的パラメータにより決定される最大値にまで増加するにつれて、それに比例して、より多くの光が複数のＰＶセルにより吸収される。
【００１０】
上記複数の光再配向エレメントは、自身が存在している上記基板を完全には貫通しないように配置されていてもよい。
【００１１】
上記複数の光再配向エレメントは、光再配向エレメントの１つがＰＶセルの１つに並んで配置されるように配置されていてもよい。
【００１２】
上記複数の光再配向エレメントは、上記複数のＰＶセルが設けられている基板と同一の基板に設けられていてもよい。
【００１３】
上記複数の光再配向エレメントは、上記複数のＰＶセルが設けられている基板とは異なる基板に設けられていてもよい。
【００１４】
上記複数の光再配向エレメントは、空気を含んでいてもよい。
【００１５】
上記複数の光再配向エレメントは、自身が存在している上記基板とは異なるが小さい屈折率を有する物質を含んでいてもよい。
【００１６】
上記複数の光再配向エレメントは、非平行な両側面を伴って製造されていてもよい。
【００１７】
上記複数の光再配向エレメントおよび複数のＰＶセルを備えている上記基板が、損傷、湿気および紫外線放射から環境的に保護されるように、他の基板間に積層されていてもよい。
【００１８】
本発明の異なる側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、複数の光再配向エレメントがＰＶセルの１つに並んで配置されるように、かつ上記複数の光再配向エレメントが自身が存在している上記基板を完全には貫通しないように配置されていてもよい。
【００１９】
本発明の異なる側面によれば、上記複数のＰＶセルは、異なる波長の放射を受けるために、複数のタイプのＰＶセルを含んでいてもよい。
【００２０】
本発明の異なる側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、自身が存在している上記基板に対して垂直ではない。
【００２１】
本発明の異なる側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、自身が存在している上記基板における深さが、上記基板に沿った位置に依存して異なっていてもよい。
【００２２】
本発明の異なる側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、自身が存在している上記基板の両側面から設けられていてもよい。
【００２３】
上記基板の一方の側面上の上記複数の光再配向エレメントは、上記基板の反対の側面上の上記複数の光再配向エレメントに並んで配置されていてもよい。
【００２４】
本発明の異なる側面によれば、上記複数の光再配向エレメントと上記基板との間の界面は異なっており、一方の界面は光学的に平坦な界面であり、他方の界面は粗い界面である。
【００２５】
本発明の異なる側面によれば、上記入射角ソーラー集光器は、ウィンドウの一部を含み得る。
【００２６】
本発明の１つの側面によれば、透明なソーラー集光器は、第１の光透過性基板と、ソーラーエネルギーを受けつつ、上記ソーラーエネルギーを電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池であって、上記第１の基板に対して配置されている複数の太陽電池と、上記第１の光透過性基板に配置されている複数の光再配向エレメントと、を含んでおり、上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の光透過性基板の第１の側面への入射光を、上記第１の光透過性基板の反対の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように構成されている。
【００２７】
本発明の１つの側面によれば、上記第１の光透過性基板は、第１の屈折率を有しており、上記複数の光再配向エレメントは、第２の屈折率を有しており、上記第２の屈折率は、上記第１の屈折率よりも小さい。
【００２８】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記第１の光透過性基板に配列されたストリップまたは溝を含んでおり、上記ストリップまたは溝は、上記第２の屈折率に一致している屈折率を有する媒体により満たされている。
【００２９】
本発明の１つの側面によれば、上記媒体は空気である。
【００３０】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の太陽電池は、太陽電池ストリップとして形成されており、各太陽電池ストリップは、所定の距離だけ隣接する太陽電池ストリップから離れている。
【００３１】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記太陽電池ストリップの各々に並んで配置されている。
【００３２】
本発明の１つの側面によれば、上記透明なソーラー集光器は、第２の光透過性基板を更に備えており、上記複数の光再配向エレメントは、上記第１の光透過性基板に形成されており、上記複数の太陽電池は、上記第２の光透過性基板に対して配置されている。
【００３３】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、上記第１の光透過性基板を完全には貫通していない。
【００３４】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、反射面を有する第１の部分、および、反射面を有する第２の部分を含んでおり、上記第１の部分の上記反射面は、上記第２の部分の上記反射面からオフセットの位置にある。
【００３５】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、上部表面および下部表面を有しており、上記上部表面および上記下部表面は、互いに対して非平行である。
【００３６】
本発明の１つの側面によれば、少なくとも２つの光再配向エレメントが、上記複数の太陽電池の各々に割り当てられている。
【００３７】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の太陽電池は、第１の波長範囲を有する光を電気エネルギーに変換するように構成されている第１のタイプの太陽電池、および、第２の波長範囲を有する光を電気エネルギーに変換するように構成されている第２のタイプの太陽電池を備えており、第２の波長範囲は、第１の波長範囲とは異なっている。
【００３８】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の光再配向エレメントの反射面は、上記第１の光透過性基板の外側の受光面に対して垂直ではない。
【００３９】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の光再配向エレメントは、第１および第２の光再配向エレメントを備えており、上記第１の光再配向エレメントは、上記第１の光透過性基板内を第１の深さまで延伸しており、上記第２の光再配向エレメントは、少なくとも１つの基板内を第２の深さまで延伸しており、上記第１および第２の深さは、互いに異なっている。
【００４０】
本発明の１つの側面によれば、上記第１および第２の深さは、上記第１の光透過性基板の内部のそれぞれの上記光再配向エレメントの位置に対応している。
【００４１】
本発明の１つの側面によれば、上記光再配向エレメントの少なくとも１つの表面は、光学的に平坦な表面であり、上記光再配向エレメントの他の表面は、光学的に粗い表面である。
【００４２】
本発明の１つの側面によれば、上記透明なソーラー集光器は、第１および第２の外側の光透過性基板を更に備えており、上記第１の光透過性基板は、上記第１の外側の光透過性基板と上記第２の光透過性基板との間に配置されている。
【００４３】
本発明の１つの側面によれば、ウィンドウシステムは、第１の外側の光透過性基板および第２の外側の光透過性基板と、ここに記載されているソーラー集光器と、を備えており、上記ソーラー集光器は、上記第１の外側の光透過性基板と上記第２の外側の光透過性基板との間に配置されている。
【００４４】
本発明の１つの側面によれば、上記複数の太陽電池は、イメージを表すようにパターニングされている。
【００４５】
本発明の１つの側面によれば、ソーラー集光器を製造するための方法は、複数の太陽電池を光透過性基板に対して配置する工程と、上記光透過性基板に複数の光再配向エレメントを形成する工程と、を含んでおり、上記複数の光再配向エレメントの各々は、上記光透過性基板の第１の側面への入射光を、上記光透過性基板の反対の側面上の上記複数の太陽電池の各々に方向付けるように、上記複数の太陽電池の各々に対して配置されている。
【発明の効果】
【００４６】
本発明によれば、一方では、集光器の集光率が入射角が法線方向から増加するにつれて増加し、他方では、集光器の集光率が入射角が法線方向から負に増加するにつれて減少する入射角ソーラー集光器を簡単に製造することができる。
【００４７】
本発明に係る装置およびシステムは、ＢＩＰＶ（建材一体型ＰＶ）への適用に対して高い潜在能力を有している。太陽が低い位置にある時、すなわち早朝および夕方の時間、および、特に冬季には、より多くの光がＰＶウィンドウを通過して、建物の内部を明るくする。より多くの光が建物に必要なのは、このような時間である。太陽が高い位置にあり、放射光が増大する日中には、より多くの光がＰＶセルに吸収される。これにより、より多くの電気を入射角集光を用いずに生成することが可能である。更に、建物の内部に入射する太陽の放射光はより少なく、それ故、ソーラーゲインはより少ない。これにより、建物を冷却させる要求が減少し、結果的に顕著なエネルギーの節約をもたらす。
【００４８】
携帯型装置は、ＰＶセルにより全体が覆われている必要はないが、バッテリーをトリクル充電するために十分な電力を生成するので、本発明に係る装置およびシステムは、ＰＶにより（部分的に）電力を供給される携帯型装置にも用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】媒体の内部における光の全反射の概略図である。
【図２】２本の簡単な光の軌跡と共にシースルーＰＶウィンドウの断面を表す概略図である。（ａ）は、従来のシースルーＰＶである。（ｂ）は、本発明に係るコンセプトを表しており、従来のＰＶウィンドウにおいてはＰＶセルに入射しない光の一部が、エアスリットにて全反射（ＴＩＲ）してからＰＶセルに入射している。
【図３】（ａ）は、本発明に係るコンセプトの例示的な３次元の概略図であり、（ｂ）は、本発明に係る装置における入射角に対する光学効率のシミュレーション結果であり、光学効率は、太陽電池に入射する入射光の割合として規定される。
【図４】（ａ）は、単一の長いエアスリットを利用している、本発明に係る一実施形態で得られる光の軌跡の例示的な概略図であり、（ｂ）は、単一の長いエアスリットの代わりに小さなエアスリットのグループを利用している、本発明に係る一実施形態で得られる光の軌跡の例示的な概略図である。
【図５】異なるスペクトルの光を集光するために、１つの区域に複数の太陽電池ストリップを有している、本発明に係る一実施形態の例示的な概略図である。
【図６】（ａ）は、本発明に係る先細り形状のエアスリットを伴うＰＶウィンドウの断面の例示的な概略図であり、（ｂ）は、本発明に係る先細り形状のエアスリットを伴うＰＶウィンドウの断面の例示的な概略図である。
【図７】（ａ）は、本発明に係る傾斜したエアスリットを伴うＰＶウィンドウの断面の例示的な概略図であり、（ｂ）は、本発明に係る傾斜したエアスリットを伴うＰＶウィンドウの断面の例示的な概略図である。
【図８】本発明に係る１つの粗い表面を有するエアスリットを伴うＰＶウィンドウの断面の例示的な概略図である。
【図９】本発明に係る、ＰＶセルが別個の基板上に設けられているＰＶウィンドウの断面の例示的な概略図である
【図１０】本発明に係るエアスリットのアスペクト比の定義を示している例示的な３次元の概略図である。
【図１１】（ａ）は、本発明に係る、高屈折率を有する基板において低屈折率の層から形成されたスリットを伴う、基板およびスリットの断面を示している例示的な３次元の概略図であり、（ｂ）は、高アスペクト比のエアスリットを生成するための代替方法を示している例示的な概略図であり、本発明に係る当該高アスペクト比のエアスリットを形成するために嵌合される２つの別個の低アスペクト比の構造体が用いられている。
【図１２】本発明に係る可変スリット長を伴うＰＶウィンドウを示している例示的な概略図である。
【図１３】本発明に係る、基板の両側面に設けられたスリットを伴う基板の例示的な概略図である。
【図１４】本発明に係る、保護用ガラスシートを伴う、光学エレメントおよび別個の基板上に設けられている太陽電池のアセンブリから得られる軌跡を示している例示的な概略図である。
【図１５】本発明に係る、保護用ガラスシートを伴う、光学エレメントおよび別個の基板上に設けられている太陽電池の他のアセンブリから得られる軌跡を示している例示的な概略図である。
【図１６】（ａ）は、本発明に係る、光学エレメントおよびイメージを示すようにパターニングされて別個の基板上に設けられている太陽電池のアセンブリから得られる軌跡を示している例示的な概略図であり、（ｂ）は、図１６ａの装置により生成された例示的なイメージを示している概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
全反射（ＴＩＲ）とは、光線が、表面の法線に対する所定の臨界角よりも大きい角度にて、高屈折率の媒体から低屈折率の媒体に向かい媒体の境界面に入射する場合に生じる光学現象である。ＴＩＲが生じる場合、光は境界面を通過できず、光は全て反射される。この臨界角とは、全反射が生じる入射角である。図１は、３次元媒体の内部におけるＴＩＲを示している。この媒体の屈折率ｎが１／（ｓｉｎ４５）＝１．４１４よりも大きく、周囲の媒体が空気（屈折率は１）である場合、たとえ入射角αが９０℃に近接していたとしても、光は、対向する表面に到達するまでの間、この媒体の内側に常に捕獲されているのである。
【００５１】
図２ａに示されているＰＶウィンドウのような、従来のシースルーＰＶウィンドウの多くは、太陽電池間の間隙を通して目視することができるように、透明な基板２上に太陽電池３をパターニングして設けることにより製造される。基板２の表面に入射する光１は、複数のビーム１ａおよび１ｂとして観測される。ビーム１ａは、太陽電池に入射しない光を示しており、ビーム１ｂは、太陽電池に入射する光を示している。太陽電池３に入射する光１の割合は、入射角に関わらず太陽電池の領域比により固定されている。
【００５２】
本発明によれば、図２ｂに示されているように、ソーラー集光器は、第１の光透過性基板２、第１の基板２に対して配置されている、（複数の太陽電池ストリップとして配列されており、隣接する太陽電池ストリップとは所定の距離だけ離れている）複数の太陽電池３、および、第１の基板２に配列されている複数の光再配向エレメント、例えばスリット４を備えている。光再配向エレメントは、太陽電池３（または太陽電池ストリップ）の各々に並んで配置されており、第１の基板２の第１の側面への入射光を、第１の基板２の反対の側面に配列されている複数の太陽電池３の各々に方向付けるように構成されている。したがって、図２ａに係るＰＶウィンドウにおいては太陽電池３に入射しなかった光１ａ’が、全反射により反射され、そして、太陽電池３により吸収される。一方、光１ｂは、何も変わらないままである（すなわち、光１ｂは、太陽電池３に入射する）。結果として、スリットの無いシステムに比べて、より多くの光が太陽電池３に集光される。
【００５３】
ここで用いられているように、光再配向エレメントとは、光再配向エレメントに入射した光の向きを変化させるデバイスである。光再配向エレメントは、基板２に形成されているストリップまたは溝を介して形成されていることが好ましく、全反射を実現させるように、空気または比較的低い屈折率を有する他の媒体により満たされている。これにより、ソーラー集光器は、第１の屈折率を有する基板２および第２の屈折率を有する光再配向エレメント４を備えることができる。ここで、第２の屈折率は第１の屈折率よりも小さい。
【００５４】
図３ａは、本発明のコンセプトに係る３次元の概略図であり、図３ｂは、本発明に係るＰＶウィンドウにおける入射角に対する光学効率のシミュレーション結果を示している。なお、太陽電池の領域比、すなわち太陽電池のｓ／ｐ比（ここで、ｓは太陽電池ストリップの幅であり、ｐは基板２上の太陽電池ストリップの間隔である）は、図３ａに示されているように５０％であり、０度での入射とは法線方向に入射することを意味している。ここでの光学効率とは、太陽電池３に入射する入射光の割合として規定される。太陽電池ストリップの幅ｓが、スリット４の深さｈに等しい場合の本システムの機能のシミュレーションを図３ｂに示す。図３ｂにおける結果には、光が法線方向に入射する場合、光学効率は５０％であるが、入射角が増大すると、スリット４からの全反射に起因して、より多くの光が太陽電池３に集光されると記載されている。入射角が６０度から７０度に近く、かつ、スリット４が媒体として空気を含む場合、たとえ太陽電池の領域比がたったの５０％であったとしても、光の８０％以上が太陽電池３に入射する。なお、寸法、例えばｗ／ｈ比、ｈ／ｓ比およびｓ／ｐ比が異なる仕様に対しては、図３ｂにおける曲線の形状は変化し、最大効率は異なる入射角にて生じる。
【００５５】
スリット４は、自身が形成されている基板を基板全体に亘り貫通する必要はなく、これは図４ａに示されている。図４ａでは、太陽電池３は、基板２と同一の屈折率を有する別個の基板２ｓ上に設けられている（したがって、図４ａのソーラー集光器は少なくとも２つの基板を備えている）。スリット４は、複数の小さなスリット４ｓを備えていてもよい。ここで、図４ｂに示されているように、２つ以上のスリット４ｓから成るスリットのグループが太陽電池３の１つに対応しているか、または、割り当てられており、この装置は、依然として図４ａの装置と同様に機能する。スリット４ｓは、図４ａにおけるスリット４の深さｈおよび／または幅ｓ１よりも小さな深さおよび／または幅を有していてもよい。図４ｂに示されているデザインにより、スリット４ｓの深さが浅くなるにつれて、製造が潜在的に簡単になるという効果を奏する。また、図４ｂの装置は、強化型パネルの強度のような幾つかの機械的機能を得てもよい。
【００５６】
図５は、１つの区域において複数の太陽電池のタイプを有している、例えば、第１のタイプの太陽電池３ａを含んでいる第１の太陽電池ストリップ、および、第２のタイプの太陽電池３ｂを含んでいる第２の太陽電池ストリップを有している実施形態の概略図を示している。この構成は、異なるスペクトルの光を集光するために用いられる（例えば、太陽電池３ａは、第１の波長範囲における光を電気エネルギーに変換し、一方、太陽電池３ｂは、第２の波長範囲における光を電気エネルギーに変換し、第１の波長範囲と第２の波長範囲とは異なっている）。このアイデアは、大きな入射角の光１ｈが小さな入射角の光１ｌとは異なるスペクトルを有しており、この為、システムの変換効率を増大させるために、異なるスペクトルの光を捕獲するための異なる太陽電池を用いる場合におけるアイデアである。
【００５７】
図３ｂに示されているシミュレーション結果では、６０度から７０度の入射角において光学効率がピークを有している。デザインの詳細な寸法比を変化させずに、この曲線の形状を変化させる必要がある場合の幾つかの他の態様が図６および７に示されている。注入成形プロセスが用いられる場合、図６ａおよび６ｂに示されている先が細くなっているエアスリットによって、（入射光１に向かって先が細くなっている）スリット４ｎおよび（入射光１とは反対向きに先が細くなっている）スリット４ｐを伴う基板２をより製造し易い方法が提供される。図６ａおよび６ｂにおける構成により、スリット４の上部表面４’および下部表面４’’は、互いに対して平行ではなくなる。このような構成により、いわゆる注入成形法により光学エレメントが設けられる場合、先が細くなっている鋳型は、より抜き取り易いという効果を奏する。スリット４ｎの表面は、平面である必要があるわけではなく、例えば、部分的な楕円体のように湾曲していてもよい。図７ａおよび７ｂは、基板の受光面に対して角度を有しているスリット４ｚおよび４ｙを示している。この構成の効果として、スリットを傾けることにより、光学的機能、すなわち光の再配向をより制御することができる。図６および７の両図において、スリット４の反射面は、基板２の受光面２’に対して垂直ではない。
【００５８】
ウィンドウ（窓）を用いる多くの場合では、プライバシーが非常に重要になってくる。部屋にいる人々は、より多くの太陽光が部屋に差し込むこと、または、より多くの電気を太陽電池から生成することを賞賛するが、建物の外側にいる人々に内側を覗かれたくはない。「プライバシー１」がスリット４の下部表面からの全反射により外側の人々に見えてしまっているというプライバシーの特徴が、図８に示されている。この解決策は、エアスリット４の下部表面５を粗くすることによる（例えば、スリットの一方の表面は光学的に平坦であり、スリットの他方の表面は光学的に粗くなっている）「プライバシー２」として、同じく図８に示されている。ここで用いられているように、「粗い表面」とは、光の波長の１０倍よりも大きな粗度を有する表面であるか、または、認識可能な反射（または透過）画像を全く表示させない表面である。したがって、部屋からの光は分散され、外側にて画像化されず、外側の人々に内部を見られることはない。
【００５９】
図９は、ＰＶウィンドウを組み立てるための可能な方法を示している。基板２およびスリット４を備えている光学的構造体は、別個の基板６上に設けられている太陽電池３から分離されている。このように、本発明に係る装置をプロセスを大きく変化させることなく製造するために、現行の標準的なシースルー太陽電池の製造施設が直接用いられている。
【００６０】
ＰＶウィンドウを製造する際に、高アスペクト比、すなわち図１０に示されている高ｈ／ｗ比を伴うスリット４の形成が試みられている。現行の注入成形プロセスには、通常、５よりも小さいアスペクト比という制限があるが、機能を向上させるためには、より高い比率が好ましい。図１１ａには、スリット４の媒体に、空気ではなく、ｎ１よりも小さい屈折率ｎ２である幾つかの他の固体媒体が用いられているのだが、スリット４が高アスペクト比を伴って形成されているという解決策が示されている。高アスペクト比のスリットを生成する他の方法は、図１１ｂに示されているようにインターロック法（嵌合法）を用いる方法である。２つの低アスペクト比構造１３ａ（例えば、第１の部分）および１３ｂ（例えば、第２の部分）が、例えば、注入成形により生成されている。両部分は、スリットの所要の長い寸法に等しい寸法１４ｃ（例えば、それぞれ第１および第２の部分の第１および第２の寸法）を有している。寸法１４ａおよび１４ｂは、２つの寸法間の差がスリットの所要の短い寸法に対応するように選択される。寸法１４ａおよび１４ｂは、２つの寸法の平均が太陽電池間の距離に等しくなるように更に選択される。高アスペクト比のスリットを形成するために、２つの部分には密接な接続がもたらされ、所要の寸法である一般的なエアスリットが生成される。エアスロットの厚さが自身の長さに沿って均一であることを保証するために、小さいエレメントが構造体の長さに沿って距離を空けて配置されている。この生成方法は、英国特許第２４００３９６号明細書または英国特許第２２４０５７６号明細書に記載の方法と形状において同様であり、参照することにより、両開示は本明細書に組み込まれるものとする。この形状の材料には、現状、米国のSerraSolar社(www.serrasolar.com)製の材料が利用可能である。太陽電池に最も近接している基板１３ａまたは１３ｂの厚さは、スリットと太陽電池との間の近接した接続を可能にするために、制御された厚さであることが好ましい。
【００６１】
図１２は、建物の内側の人が、外側の物体を、たとえ外側の物体が水平線の遥か下にあったとしても目視できるデザインを示している。図１２に示されているように、エアスリット４の幾つかの長さを短くすることにより（例えば、第１のスリット４ｓおよび第２のスリット４ｓｓである。ここで、第１および第２のスリットは、それぞれ互いに異なる第１および第２の深さだけ基板２内を延伸する）、先にエアスリット４（またはエアスリットの粗い表面）により反射された光ビーム７は、ウィンドウを通過することができ、傍観者の部屋／目に入射する。モジュール毎の、より短い長さを有するスリットの数、および、スリットの実際の長さは、要求に従って変化し、基板の内部におけるスリットの位置に対応し得る。太陽電池ストリップがスリットにどのように整合するかに従って、寸法、例えば太陽電池ストリップの幅も同様に変化する（例えば、太陽電池３２は太陽電池３よりも薄い）。これは所要の機能に依存しているが、太陽電池ストリップの幅を一定にすることも可能である。
【００６２】
高アスペクト比のスリット４が必要とされる場合、それは現行の成形能力の限界を越えてしまう。図１１ｂに示されているインターロック法（嵌合法）が適正でない場合、１つのエアスリットを２つのスリット４ａおよび４ｂに分割することにより、アスペクト比を半分に減少させてしまうが、依然として同様の機能を実現できるという解決策が図１３に示されている。２つのスリット４ａおよび４ｂは、それぞれ反射面４ａ’および４ｂ’を有しており、それぞれ基板２の反対側から設けられる。２つの分割された短いスリット４ａおよび４ｂは、できるだけ近接して設けられるか、または、基板の下部に配置されたスリットの下部のペアにおいて示されている垂直方向に配列されることが好ましい。しかしながら、所定の実施形態では、スリットのそれぞれの反射面４ａ’および４ｂ’は、互いからオフセットの位置にあってもよい。
【００６３】
〔好適な実施形態〕
図１４は、本発明に係る光学エレメントがソーラーモジュール１０に取り付けられている様子を示している。自基板に形成された複数のスリット４を伴う基板２は、太陽電池３と基板６により形成されている太陽電池パネル１１に積層されており、基板２は、太陽電池パネル１１の太陽電池３に光学的に接続されている。これは、保護用ガラスシート８（例えば、第１および第２の外側基板）の間に更に積層されている。損傷および水分から適正に保護するための保護用ガラスシート８を基板２および太陽電池パネル１１に接着するために、樹脂が用いられている。複数の太陽電池ストリップを伴う太陽電池パネル１１では、基板２に接続されている太陽電池３上の電極が透明である必要がある。
【００６４】
図１５は、図１４と同様の構成を示しているが、太陽電池パネル１１の太陽電池ストリップは、太陽電池ストリップの外側表面上に不透明な電極９を有している。光が太陽電池３に吸収されるために、太陽電池パネル１１は、図１４に示されている装置と反対に配置されている。この場合、非常に厚いガラスが、太陽電池３と基板２との間に存在している。それ故、全反射した光が正確に太陽電池ストリップに受光されるために、基板２を注意深く配置する必要がある。
【００６５】
上記光学的特徴は、上記の実施形態に記載されている他の形状の何れであってもよい。エレメント間の間隙は、表面反射ロスを減少させつつ機械的機能を得るための樹脂のような透明な接着剤により満たされていてもよい。
【００６６】
図１６ａおよび１６ｂは、本発明に係るシースルーＰＶウィンドウの内部に画像が表示されている特徴を表している。本実施形態では、「建物の内側」に対向する側面上にて、太陽電池３を所望の方法によりパターニングすること、および、太陽電池３を適正な側面上にて反射性または吸収性の被膜を用いて被覆することの何れかによって、太陽電池３が配列されている領域に装飾パターン１２を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
１．建材一体型ＰＶ（ＢＩＰＶ）分野
２．太陽電池駆動の携帯型装置
３．温室
４．サンルームおよびサンルーフ
【符号の説明】
【００６８】
１  光ビーム（１ａ：太陽電池に入射しないビーム、１ｂ：太陽電池に入射するビーム、１ａ’：スリットにより反射された後に太陽電池に入射するビーム、１ｈ：大きな入射角にて窓に到達している光、１ｌ：小さな入射角にて窓に到達している光。１ａおよび１ｂは、２つの別個のスリットに入射する光ビームである。）
２  ソーラー集光器の基板。２’は基板２の受光面である。２ｓは太陽電池の第２の基板である。
３  太陽電池または太陽電池ストリップ（３ａと３ｂとは、異なるタイプの太陽電池である。３ｓは、太陽電池３とは異なる寸法の太陽電池ストリップを示している。）
４  スリット（４ｓ：小さなスリットのグループ。４ｎおよび４ｐは、先細り形状の断面を有するスリットを示している。４ｚおよび４ｙは、異なる角度に傾斜したスリットを示している。４ｓおよび４ｓｓは、異なる長さのスリットを示している。４ａおよび４ｂは、長い／標準的なスリットと同様に効果的に機能する分割された２つの短いスリットである。）４’および４’’は、スリットの上部表面および下部表面である。４ａおよび４ｂは、スリットの反射面である。
５  粗い表面
６  太陽電池の基板
７  ｗおよびｈは、それぞれスリットの厚さおよび幅である。
８  外側の保護用基板
９  太陽電池の不透明な電極
１０  ソーラーモジュール
１１  太陽電池パネル
１２  装飾パターン
１３  ａおよびｂ：嵌合法（インターロック法）に用いるコンポーネント
１４  ａ、ｂおよびｃ：嵌合用コンポーネントの寸法
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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